1、矿井小区域构造及防治水综合协同探测研究 平煤一矿丁6-23160工作面顶板及煤层富水性探测1前言目前，随着煤矿综采机械化程度的不断提高，原地质精查时，由于技术装备和方法的限制，落差1030m的断层和巷道掘进前方富水情况未能完全查清，远远满足不了采区设计的需要，故对探明小小区域构造的要求亦日益迫切。因此矿井瞬变电磁超前探测技术为全掘进提供可靠地质条件预测参数，用地震反射波法勘探落差大于5米以上小断层的点滴经验。论述了用地震反射波法探测煤矿采区小断层，断层在时间剖面上表现得各种特征根据瞬变电磁法在一在建矿井地面水文物探中的应用及资料处理与解释的主要过程。通过对获取资料的分析与研究并结合已知资料划出
2、了测区中新生界底界面及主采煤层底板的相对富水区域,并对测区内落差较大断层的导含水性进行了分析,以供在矿井开掘及今后的开采中参考使用自2011年3月起，以平煤一矿为试点，研究矿井内小区域构造及防治水综合协同探测。采用综合物理探测手段，并结合相应的地质及钻孔资料，对平煤一矿矿区内的小区域构造和富水异常区域进行超前探测研究。通过前期现场资料和实际探测及后期数据处理结果，分析采用综合物理探测方法下煤矿小区域构造及富水异常区域的规律和特点。为矿井安全、高产高效生产及煤矿防治水提供理论指导和切实可行的方案1.1工程地质概况平顶山煤田处于秦岭纬向构造带的东延部位，淮阳山字型构造的西翼反射弧顶部，为纬向构造及
3、淮阳山字型构造的复合部位，既受纬向构造带的控制，又受淮阳山字型构造的影响。所以，整个平顶山煤田形成了一系列北西向复式褶皱构造形态，伴随着以北西向为主的张扭及压扭性断裂和次一级的北东向张扭性断裂，控制了整个煤田的构造形态。平煤一矿位于平顶山市区以北3.0km处，井田面积为29.3km2，该矿的主要煤种为1/3焦煤、焦煤和肥煤。本井田含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组和上、下石盒子组。自下而上划分为9个煤组。含煤地层总厚780m，含煤九组43层（有编号的煤层23层），其中九、八煤组无可采煤层。煤层总厚约26m。含煤系数为3.3%，可采煤层5组10层，总厚约15m，可采含煤系数为1.92%。煤层间
4、距基本稳定。平煤一矿井田内主要构造在勘探过程中都有所控制，但很多地质问题在勘探过程中是解决不了的，例如矿井内很多小区域性构造在地质勘探中就很难被发现，只有在生产过程中解决。在平煤一矿井下生产过程中，据五、四煤组一、二水平已开采的采区揭露，井田浅部多见到次一级高角度小落差的正断层、逆断层，以正断层为主。这些小断层按断层产状分为走向断层和斜交断层两组，斜交断层又分NNE向和NNW向两组，以NNE向为主。走向断层数量少、落差稍大，延展长度较长；斜交断层数量多，落差幅度变动较大，从井田内断层分布看，西翼多、东翼少，浅部多、深部少，浅部断层密度达3.2条/万平方米；从落差看，浅部断层落差小，深部断层落差
5、变大。地质构造对矿井生产影响较大，有时会造成大量废巷，费工、费料、误时，增加成本。因此，加强小区域构造的研究对矿井生产有着重大意义。据平煤一矿井下水文资料统计看，在采掘过程中，由于开采不合理，造成压力局部集中或是两个工作面同时开采其迭加影响引起突水；以及对矿区周边小窑实际分布掌握不够全面，工作面回采时可能误入小窑或是回采时受采动影响与未知小窑构成水力联系造成安全隐患，这些都是矿井安全生产亟待解决的问题。针对平煤一矿在小区域构造和防治水方面存在的问题，拟采用综合物理探测手段，并结合相应的地质及钻孔资料，对平煤一矿矿区内的小区域构造和富水异常区域进行超前探测研究。在此次课题研究中，利用多种地球物理
6、勘探手段与矿井现场实测地质及钻孔资料相结合。有点及面，先将研究方案运用到一个或几个工作面，然后逐渐整理、改进再推广，做到有效的点面结合，将矿井未知小区域构造和未知富水区所造成的事故危害降至最低。拟采用物理探测手段进行的矿井超前探测工程如下：平煤一矿工作面矿井瞬变电磁法超前探测平煤一矿工作面矿井直流电法超前探测主要利用矿井瞬变电磁仪和直流电法仪对矿井富水异常区域进行超前探测及研究，并根据探测结果提供相应的防治水方案。平煤一矿工作面矿井地震波超前探测平煤一矿工作面矿井电磁波超前探测主要利用地质探测仪和地质雷达对矿井小区域构造进行超前探测及研究，并根据探测结果提供相应的施工方案。2主要物探仪器2.1
7、矿井巷道地质探测仪KDZ1114-6B30KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测仪是中国矿业大学、福州华虹智能科技开发公司联合研制的矿井地震勘探仪器系列的一款专用型仪器产品，其专用于超前探测矿井巷道前方在开挖周围及前方的三维空间的工程地质、巷道前方120米的断层（落差1米）、软弱破碎带、陷落柱等不良地质体的预测预报，为矿井工程、地下工程施工提供技术保障。同时配备有专业的MSP2.0数据处理平台，该软件提供了丰富的地震数据管理、显示与核心处理功能。应用范围：（1）巷道超前探测（2）老空区探测（3）岩层探煤层底板岩层完整性特征评价（4）工作面断层及隐伏构造探测。矿井巷道地质探测仪KDZ1114-
8、6B30及配套软件MSP2.0国内应用广泛，中国矿业大学在矿井巷道超前探测多源地质灾害方面具有国际领先的优势。2.2 WBD系列网络并行电法仪WBD系列网络并行电法仪是继常规电法仪和高密度电法仪后发展起来的最新一代电法勘探采集仪器。现有系列包括：WBD-1型网络并行电法勘探检测仪、WBD-M型矿井三维并行电法勘探仪。其核心技术“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”获2006年国家发明专利，2008年11月，中国科学技术部、环境保护部、商务部、质量监督检验检疫总局联合授予该仪器为“国家重点新产品”（项目编号：2008GRC30035）称号。WBD系列网络并行电法仪采取并行采集数据工作模式，可完
9、整记录电场分布及变化。其每次供电可同时获得多个测点数据，是一种全电场观测技术。采集效率高，且可同步完成多种装置的数据测量。在数据采集时具有同步性和瞬时性，使得电法图像更加真实合理，大大提高了视电阻率的时间分辨率。网络并行电法处理软件可实现全空间真三维数据体电法反演，对探测目标体在不同水平和垂向做任意切片，可方便和准确了解目标体的空间展布状况。应用范围：（1）掘进巷道前方、周边及顶底板富水性探测（2）煤层工作面顶底板富导、水性探测（3）矿井采空区、陷落柱形态及发育深度探测（4）采动工作面覆岩破坏规律及“两带”高度测试（5）采动工作面底板扰动深度测试采动工作面顶、底板水害动态监测预报2.3瞬变电磁
10、仪器YCS40(A)瞬变电磁仪器YCS40(A)是中国矿业大学、福州华虹智能科技开发公司等研制的国际首款拥有本质安全型的瞬变电磁仪，充分发挥瞬变电磁法探测效率高、对低阻异常体敏感等优势，将瞬变电磁法应用到井下，通过对瞬变电磁理论的研究，利用煤矿采空（塌陷）区、岩溶发育区、断层、破碎带、溶洞充水等地质现象的不同电阻率反映，实现对掌子面或迎头以及巷道侧帮、煤层顶、底板等前方的地质现象、富水区域进行较精确成像。应用范围：（1）探测巷道迎头前方赋水情况，探明巷道迎头前方120米内是否含水。（2）探测采空区赋水情况，探明采空区内是否含水，及采空区内水体的分布情况。有效探测距离100120米。（3）探测断
11、层赋水情况，探明断层或断层带是否含水，及赋水影响范围。（4）探测工作面内赋水情况，探明工作面内水体分布情况。瞬变电磁仪器YCS40(A)在国内应用广泛，中国矿业大学在矿井瞬变电磁法探测技术方面具有国内领先的优势。2.4 pulseEKKO PRO 专业型地质雷达pulseEKKO PRO 专业型地质雷达是目前世界上功能最强大和配置灵活的地质雷达系统。pulseEKKO PRO专业型地质雷达是在原pulseEKKO 100、pulseEKKO IV、pulseEKKOIII 及pulseEKKO1000 的基础上，推出的新一代地质雷达，除保留原有地质雷达所有的独特与创新的特色外，不但使原有雷达系
12、统升级换代，进一步提高了雷达系统性能指标，而且为使用者和研究人员提供了更多功能与配置。pulseEKKO PRO 专业型地质雷达可用于考古、基岩深度确定、冰川、地下水污染、堤坝隐患、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、地下军事目标体定位、分层、地下埋设物探查、环境评价、无损检测、公路铺层和路基质量检查、钢筋混凝土结构检测、隧道衬砌质量检测和评价、围岩地质超前预报、浅层地质勘测3 瞬变电磁法前方探测水3.1 探测地球物理条件从岩性物性差异的角度，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增
13、加电阻率值减小，因此岩层电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值；相反，则表现高电阻率值。3.2 基本原理瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电 图2-1 回线中阶跃电流的磁力线 图2-2 全空间中的等效电流云图流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程（见图2-1、2-2）。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向回线传播，由接收回线接收二次磁
14、场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在（如图2-3）。图2-3 良导体瞬变电磁感应原理图瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈”形式扩散传播（如图2-4），在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。传播深度： （1
15、）传播速度： （2）-为传播时间，-为介质电导率 -为真空中的磁导率。根据理论分析，瞬变电磁探测深度与发送磁矩覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。 由（2）式得： . （3） 图2-4 全空间电磁场“烟圈”扩散示意图 时间与表层电阻率，发送磁矩之间的关系为： （4）其中：M-为发送磁矩，-为表层电阻率，-为最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数，还和观测时间段有关。联立（3）（4）式，可得： （5）上式为实际探测时用来计算最大探测深度公式。为采用地质体本身物性参数电阻率来直观表达地质体的导电性情况，本系统采用晚期公式计算视电阻率： （6）式中 。3.3 矿井瞬变电磁探测特点由于井下特殊施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其它的矿井物探方法有很大的不同，主要有以下几方面的特点：（1）受井下巷道施工空间所限，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设
